干涉型光纤扰动传感器信号调理电路的设计和仿真

在现代传感系统中，干涉型光纤扰动传感器以其极高的灵敏度得到了广泛关注。其中关键部分是信号调理电路，它用来检测和预处理非常微弱并夹杂着噪声的传感信号。一般来说，光电探测器的输出信号要先经过前置放大、滤波等预处理环节，最大限度地抑制噪声，为信号的进一步处理打下基础。本文主要讨论了微弱传感信号的调理电路设计，包括前置放大电路的设计，带通滤波器的设计和运放的选择，并用MuItisim 10对设计的电路进行了仿真。

1 信号调理电路设计
    光电探测器接收到的光信号一般都非常微弱，而且光电探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中。因此，要先对这样的微弱传感信号进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
    其信号调理模块的结构框图如图1所示，完整的信号调理电路如图2所示。

    在图2中，电源电压输入端和地之间接入1μF的电容C9，C10，用来滤除电源带来的干扰。

2 光电探测器及其工作模式选择
2．1 光电探测器的选择
    光电探测器是一种通过光电效应探测光信号的器件。选择光电探测器应考虑；光电灵敏度要求足够高；信噪比高；相应峰值波长应与发光器件的发射波长、光纤的低损耗窗口相匹配；响应速度快；输出光电流-照度特性曲线的线性度好。
    光电探测器的种类很多。在干涉型光纤传感器中，光电探测器通常采用PIN结型和雪崩型光电二极管。
    PIN光电二极管响应频率高，响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。雪崩二极管灵敏度高，响应快，但需要上百伏的工作电压，且增益会引起噪声，容易带来电流失真。考虑到该系统所据测的波长范围和器件在0～40℃范围内的稳定性，决定采用InGaAs PIN photodiode G8371-03型光电二极管。该光电二极管在温度特性方面也相当出色，比其他光电二极管有着更好的特性曲线。
2．2 光电探测器的工作模式
    光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图3所示为光电二极管两种模式的偏置电路。

    在光伏模式时，光电二极管可非常精确地线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(暗电流)。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声。在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。该设计所针对的待检测传感信号是十分微弱的信号，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以该设计采用光伏模式。

3 前置放大电路
3．1 电路设计
    前置放大电路原理如图4所示。通过PIN光电二极管输入的信号经过I／V变换将光电流转换为电压信号，而后再将电压信号经中间放大电路进行电压信号放大。电路分析：运放U1A及其外围元件组成了I／V变换电路。其中R1是为了消除探测器输出电流中的毛刺，R2为防止电路自激并提供直流通道，C1为隔直电容，C3和R4用于直流平衡及交流补偿。R3为反馈电阻，C2用于减小噪声带宽以保证R3对电路噪声的影响最小。由于加入电容C2后，电路的幅频特性会发生改变，相当于一个滤波器，所以在选取C2时要同时考虑PIN管探测信号的频谱以免将有用信号过度衰减或者滤掉。运放U1D及其外围元件R5，R6，R7组成的反相放大器作为中间放大电路对电压信号进一步放大。

    电路中集成运放选择也十分重要。对其输入电阻、开环增益、转换速率和增益带宽、噪声电压都有较高要求。美国BB公司出品的高速FET输入宽带集成运算放大器OPA132具有极高的输入阻抗；较大的开环增益和增益带宽，极快的电压转换速率和极小的等效噪声带宽，是非常理想的前置放大用集成电路。本文在电路中选择OPA132的四运放形式OPA4132，它大大减小了电路体积与配置的复杂程度，降低了噪声引入。
3．2 电路仿真
    搭建仿真电路，并用仿真软件Multisim 10中两通道示波器、波特图示仪对设计的前置放大器分别仿真，得到如图5所示仿真结果。从图5可以看出，经过前置放大电路后输出信号相比输入信号放大了约2×103倍，且基本无失真。

    图6为该电路的幅频特性曲线。可以看出该前置放大电路对高频有一定的抑制作用，其主要是放大了低频微弱信号。在图中曲线的中间水平线中可以清楚得到电路的增益为65．284 dB，用鼠标拖动读数轴可得上限频率fH=9.501kHz，下限频率fL=194.486Hz，频宽B=fH-fL=9.306 kHz。

4 带通滤波电路
4．1 滤波器设计
    为使检测电路具有良好的信噪比，还需要用带通滤波器对信号进一步处理。该设计在前置放大电路之后加入带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。由于振动引起的信号频率较低，经过实验确定其信号的有效频率在2～5 kHz之间。该设计对滤波器要求为：中心频率2 kHz，带宽为500 Hz～8 kHz，带增益G=2。
    当上截止频率对下截止频率的比超过2(一个倍频程)时，则可认为该带通滤波器是宽带型的。宽带型带通滤波器可以通过级联对应的低通和高通滤波器来实现。本文通过将一个2阶低通滤波器和2阶高通滤波器级联来实现该带通滤波器。500 Hz，8 kHz分别为高通、低通滤波器的截止频率，通带增益G=2。考虑到对传感信号检测的准确性，要尽量避免滤波器的通带内有波纹。因此，本文选取巴特沃斯型带通滤波器。
    图7所示的2阶带通滤波器是一种无限增益多路反馈巴特沃斯型带通滤波器。其中，同相输入端接电阻R5，R7的作用是为了把直流失调减到最小。

4．2 滤波器仿真
    用Multisim 10中波特图示仪分别对2阶低通滤波器、2阶高通滤波器及级联后的2阶带通滤波器分别仿真，得到仿真结果如图8，图9所示。

    图8中，低通滤波器的截止频率为8．577 kHz。高通滤波器的截止频率为530．208 Hz，图9中，带通滤波器的上、下截止频率为8．577 kHz，530．28 Hz。

5 结语
    本文针对干涉型光纤传感器输入信号的特点设计了信号调理电路，并运用软件Multisim 10进行了仿真。经仿真，各参数基本上都达到了设计要求。该信号调理电路结构简单，性能较好，对干涉型光纤扰动传感器实际应用具有一定的使用价值。